Отопление с естественной циркуляцией воды применялось в прошлом столетии сначала в виде однотрубных, затем в виде двухтрубных систем. С внедрением электрических циркуляционных насосов гравитационные системы отопления с начала текущего века и особенно после Октябрьской революции постепенно уступают свое место насосным системам.

В настоящее время область применения систем с естественной циркуляцией воды ограничена. Их используют для отопления отдельных жилых квартир, небольших гражданских зданий, железнодорожных вагонов, зданий, в которых недопустима вибрация конструкций (например, при точных измерениях), вызываемая работой насосов. Использование естественной циркуляции целесообразно при водяном отоплении отдельных верхних помещений высотных зданий (например, технического этажа). Кроме того, естественная циркуляция воды в стояках встречается в описанных выше децентрализованных системах водо-водяного отопления.

Рассмотрим особенности гравитационных систем отопления в сравнении с насосными. Прежде всего отметим существенные недостатки, которые ограничивают область их применения:

а) сокращенный радиус действия (до 30 м по горизонтали), обусловленный небольшим циркуляционным давлением;

б) высокая первоначальная стоимость (до 5—7% стоимости небольших зданий), связанная с применением труб значительного диаметра;

в) увеличенные расход металла и затраты труда на монтаж теплопроводов;

г) замедленное включение в действие из-за большой теплоемкости массы воды и малого циркуляционного давления;

д) повышенная опасность замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемых помещениях.

Вместе с тем гравитационные системы отопления имеют преимущества, определяющие в отдельных случаях их выбор:

а) относительная простота устройства и эксплуатации;

б) независимость действия от снабжения электрической энергией;

в) отсутствие циркуляционных насосов и соответственно шума и вибрации;

г) сравнительная долговечность (при правильной эксплуатации системы действуют 35—40 лет и более без капитального ремонта);

д) повышенная тепловая надежность, обусловленная действием с количественным саморегулированием.

Остановимся на явлении количественного саморегулирования. В гравитационной системе создается своеобразный механизм естественного регулирования: при проведении качественного регулирования, т. е. при изменении температуры воды, самопроизвольно происходит количественное регулирование — изменяется расход воды. Действительно, если изменять температуру греющей воды в зависимости от температуры наружного воздуха (см., например, рис. IV.40), то в системе из-за иного распределения плотности воды изменяется естественное циркуляционное давление, а следовательно, и количество циркулирующей воды. Одновременное изменение-температуры и количества воды обеспечивает необходимую теплопередачу отопительных приборов.

В двухтрубной системе усиление или ослабление циркуляции воды в циркуляционном кольце каждого отопительного прибора изменяет теплопередачу в помещение, которая, изменяясь, кроме того, во взаимодействии с теплопотереи помещения, сама влияет на расход воды, изменяя температуру обратной воды и циркуляционное давление. В результате сохраняется соответствие между теплопередачей прибора и теплопотереи помещения, т. е. обеспечивается тепловая надежность каждого отдельного прибора и, следовательно, всей системы отопления.

Таким образом, естественное циркуляционное давление, которое в насосной двухтрубной системе отопления вызывает вертикальное тепловое разрегулирование, поддерживает тепловую надежность гравитационной двухтрубной системы.

В вертикальной однотрубной системе имеется такое же количественное саморегулирование, но в циркуляционных кольцах не каждого прибора, а уже целых стояков с их последовательно соединенными приборами. При этом усиление или ослабление циркуляции воды происходит более интенсивно, чем требуется по графику оптимального режима (см. рис. IV.40). В результате в теплый период отопительного сезона наблюдается отклонение от необходимой теплоподачи у части приборов: при движении в стояке сверху вниз сильно уменьшенного количества воды нижние приборы недогревают помещения. Это явление усугубляется с увеличением числа этажей здания.

Таким образом, естественное циркуляционное давление, способствующее тепловой надежности насосной вертикальной однотрубной системы отопления, вызывает вертикальное тепловое- разрегулирование гравитационной однотрубной системы.

Можно сделать вывод, что при естественной циркуляции воды преимущество следует отдавать двухтрубным системам отопления. Правда, вертикальная однотрубная система позволяет увеличивать естественное циркуляционное давление и скорость движения воды по сравнению с двухтрубной, а также располагать отдельные отопительные приборы ниже теплообменника.

Схемы гравитационных систем подобны схемам насосных систем отопления Зная зависимость естественного циркуляционного давления
от вертикального расстояния между центрами охлаждения и нагревания и закономерности движения воздушных скоплений в горизонтальных трубах, можно установить целесообразность применения верхней разводки подающей магистрали в гравитационной системе. При этом расширительный бак присоединяют непосредственно к главному стояку (см. рис. III.26,в), уклон подающей магистрали делается в сторону движения воды и бак используется для удаления воздуха из системы (см. рис. III.23,б). В отопительных приборах создается наиболее рациональная для двухтрубной системы (см. рис. ШЛО) схема движения воды сверху — вниз.

Теперь можно изобразить принципиальную схему гравитационной системы отопления с верхней разводкой подающей магистрали (рис. IV.47). Она получается1 из принципиальной схемы, приведенной на рис. IV.1,6, если из нее исключить насосы, а расширительный бак присоединить к подающей магистрали. Схема стояка двухтрубной системы показана на рис. IV.28, однотрубной — на рис. IV.25. В однотрубной системе в первую очередь используют приборные узлы с меньшим гидравлическим сопротивлением—с замыкающими участками/

Возможно применение гравитационных систем отопления с нижней разводкой обеих магистралей, двухтрубные и однотрубные стояки которых изображены соответственно на рис IV.29 и IV.26. Однако при этом уменьшается циркуляционное давление, что влечет за собой увеличение диаметра труб, усложняются сбор и удаление воздушных скоплений из системы. Расширительный бак присоединяют к магистрали в нижней части системы, и его можно использовать для удаления воздуха только при прокладке специальных воздушных труб, показанных на рис. IV.29 (справа) и рис. III.24, е.

Система с «опрокинутой» циркуляцией воды в данном случае не используется, так как в ней иногда возникает «обратное» движение воды в стояках.

Расчетное циркуляционное давление в системе отопления с естественным движением воды определяется по формуле (IV.31)^


В двухтрубной гравитационной системе отопления для создания достаточного циркуляционного давления стремятся всемерно увеличить вертикальное расстояние между центром охлаждения в нижних отопительных приборах и центром нагревания в теплообменнике с тем, чтобы довести его хотя бы до 3 м. Если это осуществимо в отдельных зданиях, то при отоплении одноэтажных квартир и домов или железнодорожных вагонов теплообменник (котел) вынужденно располагается на одном уровне с отопительными приборами.

Квартирные системы отопления применяются уже около ста лет. За это время изменялись и совершенствовались котлы и их топливо, трубы и отопительные приборы, использовались различные схемы, но принцип устройства и действия оставался одним я тем же: для создания устойчивой циркуляции воды одна из магистралей прокладывалась и прокладывается под потолком отапливаемого помещения. Тогда необходимое цир­куляционное давление обеспечивается за счет охлаждения воды в трубах. Что же касается охлаждения воды в отопительных приборах, то центр охлаждения в них может оказаться не только не выше центра нагревания, но даже ниже его, а это, как уже известно, препятствует естественной циркуляции воды.

Наиболее распространена двухтрубная схема, при которой подающая магистраль размещается под потолком отапливаемого помещения, обратная прокладывается у пола или в подпольном канале. Отопительные приборы присоединяют к трубам по схеме, показанной на рис. IV.31,a.

Возможна двухтрубная схема, когда не только подающую, но и обратную магистраль размещают под потолком помещения, но при этом необходимо для обеспечения циркуляции воды опускать эту магистраль петлями до низа каждого отопительного прибора, вследствие чего увеличивается протяженность труб и усложняется спуск воды из системы.

Не исключается также горизонтально однотрубная схема соединения отопительных приборов, но и здесь одна из магистралей прокладывается поверху.

На рис. IV.48 изображена для примера одна из двух ветвей гравитационной системы водяного отопления железнодорожного пассажирского вагона. Основные трубы 2 dY—75 мм, обогревающие нижнюю зону салона, присоединяют самостоятельно к верхней подающей магистрали 5 для усиления циркуляции воды в каждой из них. Отдельный отопительный прибор 3 предназначается для отопления туалетной комнаты. Подающая магистраль dy=50 мм прокладывается без тепловой изоляции для увеличения циркуляционного давления.

Естественное циркуляционное давление, как расчетная величина в гравитационной квартирной или вагонной системе отопления, определяется по несколько измененной формуле (IV.31)

Для водогрейного котла за центр нагревания принимается зона наиболее интенсивного нагревания воды, находящаяся приблизительно на 250 мм выше уровня колосниковой решетки.

Влияние различного расположения центров охлаждения относительно центра нагревания было выяснено выше (см. рис. IV.39). Применительно к системе отопления на рис. IV.48 это вызывает заметное уменьшение (приблизительно на одну треть) количества воды, протекающей
нижней греющей трубе 2, по сравнению с расходом воды в верхней
трубе.

Для вычисления естественного циркуляционного давления необходимо знать температуру и плотность воды в различных точках системы. Следовательно, при проектировании квартирной и вагонной систем отопления необходим расчет теплопередачи труб и определение степени охлаждения воды в трубах. Эта особенность расчета в необходимых случаях распространяется и на гравитационные системы отопления протяженных зданий.

Наименьшее охлаждение воды, а следовательно, и наименьшее естественное циркуляционное давление получается в циркуляционном кольце через прибор, ближний к теплообменнику (например, в кольце при­бора 3 на рис. IV.48), вследствие малой протяженности труб. Поэтому через такой прибор протекает меньшее количество воды, чем через приборы, удаленные от теплообменника.

При расчете площади нагревательной поверхности каждого прибора квартирной и вагонной систем отопления учитываются уже известные теплопередача труб, проложенных в помещении, и температура воды при входе в прибор" и выходе из него. В этом особенность расчета приборов такой системы отопления.

Система отопления железнодорожного вагона дополняется электрическим насосом для возможности усиления циркуляции воды. В квартирных системах отопления применение циркуляционных насосов вызывает конструктивные изменения. Насосная квартирная система отопления делается горизонтальной однотрубной (см, рис. IV.30) или двухтрубной (см. рис. IV.31,6) с нижней прокладкой магистралей.